Die vier grundlegenden Wärmebehandlungsprozesse: Glühen, Normalisieren, Abschrecken und Anlassen

Die vier Feuer der Wärmebehandlung

Die chinesische metallurgische Praxis beschreibt die vier grundlegenden Wärmebehandlungsvorgänge - Glühen, Normalisieren, Abschrecken und Anlassen - als die vier Brände. Sie sind das Werkzeugset, mit dem sich -gegossenes,-geschmiedetes oder-gewalztes Metall in ein Teil mit der richtigen Härte, Festigkeit, Zähigkeit und Dimensionsstabilität verwandeln lässt. Glühen und Normalisieren werden hauptsächlich als vorbereitende Behandlungen eingesetzt; Abschrecken und Anlassen sind die abschließenden Behandlungen, die die mechanischen Eigenschaften gehärteter Bauteile festlegen. Dieser Artikel erklärt jeden Prozess, die Temperaturlogik dahinter und wie sich dieselben Konzepte auf Titanlegierungen übertragen lassen.

Glühen: Erweichen und Homogenisieren

Das Glühen ist ein langsamer Prozess: Das Metall wird auf eine definierte Temperatur erhitzt, lange genug für die Diffusion gehalten und dann langsam abgekühlt, normalerweise im Ofen. Der Zweck besteht darin, Restspannungen abzubauen, das Material für die anschließende Bearbeitung oder Umformung zu erweichen, die Kornstruktur zu verfeinern und die Zusammensetzung zu homogenisieren. Gängige Varianten sind Vollglühen (Erhitzen über den Transformationsbereich und langsames Abkühlen zur Kornverfeinerung), sphäroidisierendes Glühen (Umwandlung von lamellarem Zementit in kugelförmige Partikel, um Werkzeug- und Lagerstähle weich zu machen), isothermes Glühen (Halten bei einer festen Temperatur, um eine gleichmäßige Struktur zu ergeben), Rekristallisationsglühen (Entlastung der Kaltverfestigung durch Kaltziehen oder Walzen) und Spannungsfreiglühen (Erwärmung unterhalb des Transformationsbereichs). um eingeschlossene -Spannungen in Gussteilen und Schweißkonstruktionen zu entspannen). Geglühtes Material wird durch Zug- und Härtetests geprüft; Dünne Bleche und Rohre werden typischerweise auf einer Rockwell- oder Oberflächen--Rockwell-Skala geprüft.

Normalisieren: Körnung verfeinern und Struktur standardisieren

Beim Normalisieren wird der Stahl auf 30-50 Grad über der oberen kritischen Temperatur (Ac3) erhitzt, kurz gehalten und dann an ruhender Luft abgekühlt. Die Abkühlgeschwindigkeit ist schneller als beim Glühen und langsamer als beim Abschrecken, wodurch das Austenitkorn verfeinert wird und eine feine, gleichmäßige Ferrit--Perlitstruktur entsteht. Die Vorteile sind eine verbesserte Festigkeit und Zähigkeit (höhere Schlagenergie, AKV-Werte), ein geringeres Risiko von Abschreckrissen beim anschließenden Härten und eine bessere Bearbeitbarkeit: Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, normalisiert auf eine Härte von etwa HB 140-190, schneidet sauber, anstatt zu reißen. Durch das Normalisieren werden auch die grobe Widmanstätten-Struktur und die durch Schmieden oder Schweißen entstandenen Streifen entfernt, Netzwerkzementit in übereutektoiden Stählen aufgebrochen und die Struktur für die Sphäroidisierung vorbereitet. Bei vielen Strukturteilen mit mittlerem Kohlenstoffgehalt, bei denen die Anforderungen moderat sind, kann das Normalisieren einen vollständigen Abschreck- und Anlasszyklus zu geringeren Kosten ersetzen. Da die Kühlung durch Luft erfolgt, hängt das Ergebnis von der Umgebungstemperatur, der Teilestapelung und der Abschnittsgröße ab – Faktoren, die ein Wärmebehandler kontrollieren muss.

Abschrecken: Einfrieren in einer harten Struktur

Beim Abschrecken wird Stahl über die kritische Temperatur (Ac3 für untereutektoiden Stahl, Ac1 für übereutektoiden Stahl) erhitzt, um ihn vollständig oder teilweise auszutenitisieren, und anschließend schneller als die kritische Abkühlgeschwindigkeit abgekühlt, sodass sich Austenit in Martensit oder Bainit anstelle von Ferrit und Perlit umwandelt. Martensit ist eine harte, übersättigte Struktur, die durch eine diffusionslose Scherumwandlung entsteht; seine Härte hängt vom Kohlenstoffgehalt ab. Der Zweck des Abschreckens besteht darin, die Härte und Verschleißfestigkeit (Werkzeuge, Lager) zu erhöhen, die Elastizitätsgrenze von Federn zu erhöhen und Teile auf die Zähigkeit vorzubereiten, die durch das Anlassen wiederhergestellt wird. Gängige Methoden sind Einzel-Flüssigkeitsabschreckung, Dual-Flüssigkeitsabschreckung (Wasser, dann Öl), Martensit- und Bainit-Abschreckung, isotherme Abschreckung und lokale Abschreckung. Das Abschreckmedium und die Bewegung werden so gewählt, dass ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Kühlleistung und Verformungs- und Rissrisiko besteht. Unmittelbar nach dem Abschrecken enthält ein Werkstück Martensit, Restaustenit und große innere Spannungen, und seine mechanischen Eigenschaften sind erst nach dem Anlassen nutzbar.

Anlassen: Wiederherstellung der Zähigkeit

Beim Anlassen handelt es sich um die Wärmebehandlung eines abgeschreckten Teils: erneutes Erhitzen auf eine Temperatur unterhalb des unteren kritischen Punktes, Halten und kontrolliertes Abkühlen. Es reduziert innere Spannungen und Sprödigkeit, passt Härte, Festigkeit, Plastizität und Zähigkeit an die erforderliche Kombination an und stabilisiert die Struktur gegen zukünftige Dimensionsänderungen. Die drei Standardbereiche sind:

Anlassen bei niedriger-Temperatur (150–250 Grad)- geringer Härteverlust; baut Stress ab und verbessert leicht die Zähigkeit. Wird für Schneidwerkzeuge, Lehren, Lager und aufgekohlte Teile verwendet.

Anlassen bei mittlerer-Temperatur (350–500 Grad)- bietet eine hohe Elastizitätsgrenze bei guter Zähigkeit. Wird für Federn und Schmiedegesenke verwendet.

Hochtemperaturanlassen (500–650 Grad)- die Abschreck--und-Temper-Kombination, die in der chinesischen Praxis als Modulationsbehandlung bekannt ist; erzeugt ein ausgezeichnetes Festigkeits-{3}}Zähigkeitsgleichgewicht. Wird für Zahnräder, Wellen und Pleuelstangen verwendet.

Zwei Versprödungsphänomene müssen beachtet werden. Die Anlassversprödung des ersten-Typs tritt in der Nähe von 300 Grad auf und wird vermieden, wenn in diesem Bereich kein Anlassen erfolgt. Die Versprödung des zweiten-Typs betrifft einige legierte Stähle mit mittlerem Kohlenstoffgehalt, die langsam von hohen Anlasstemperaturen abgekühlt werden. Es wird durch Zugabe von Molybdän oder durch Abkühlen in Öl oder Wasser nach dem Anlassen verhindert und kann durch erneutes Erhitzen auf die ursprüngliche Anlasstemperatur entfernt werden. Einige hochlegierte Stähle weisen eine Sekundärhärtung auf, bei der sich beim Anlassen feine Karbide ausscheiden und die Härte erhöhen.

Wärmebehandlung von Titanlegierungen

Für Titan gilt das gleiche Vier-{0}}Feuer-Vokabular, allerdings unterscheidet sich die Metallurgie. Durch das Glühen von Titan (z. B. 650-790 Grad für Grad 2 oder 700-790 Grad für Grad 5) werden Restspannungen abgebaut, Alpha{9}}-Hüllen entfernt und die Duktilität nach der Kaltumformung wiederhergestellt. Bei Alpha-Beta-Legierungen wird Lösungsbehandlung und Alterung (STA) angewendet, die in etwa dem Abschrecken-und-Anlassen von Stahl entspricht: Die Legierung wird bei 900–955 Grad lösungsbehandelt, schnell abgekühlt und dann bei 480–595 Grad gealtert, um feines Alpha auszuscheiden und die Festigkeit zu erhöhen. Da Titan bei der Temperatur heftig mit Sauerstoff reagiert, werden alle Titan-Wärmebehandlungen in Vakuum- oder Inertgasöfen durchgeführt und die Ofenatmosphäre, die Heizrate und die Haltezeit werden im Behandlungszertifikat vermerkt – Käufer sollten es immer anfordern.

So wählen Sie den richtigen Prozess aus

Die Auswahl richtet sich nach dem gewünschten Eigenschaftsprofil. Erweichung, Spannungsabbau und Kornverfeinerung erfordern Glühen; Gleichmäßige Struktur und Bearbeitbarkeit für Teile mit mittlerer-Beanspruchung erfordern eine Normalisierung. Die maximale Härte erfordert ein Abschrecken, gefolgt von einem Anlass, der so gewählt wird, dass Härte gegen Zähigkeit ausgetauscht wird. und Teile, die sowohl eine hohe Festigkeit als auch Zähigkeit erfordern, verwenden Abschrecken-und-Anlassen bei 500-650 Grad. Bei Titan besteht die entsprechende Entscheidung zwischen einfachem Glühen (Umformbarkeit, Korrosion -kritischer Einsatz) und Lösungsglühen plus Alterung (maximale Festigkeit). In jedem Fall müssen die Prozessparameter - Temperatur, Zeit, Abkühlrate, Atmosphäre - definiert, kontrolliert und dokumentiert werden, da die Wärmebehandlung die kostengünstigste Möglichkeit ist, die Eigenschaften eines Materials zu ändern, und auch die einfachste Möglichkeit, Fehler zu machen.

FAQ

Was ist der Unterschied zwischen Glühen und Normalisieren?

In beiden Fällen wird über den Umwandlungsbereich erhitzt, aber beim Glühen erfolgt eine langsame Abkühlung (normalerweise im Ofen), um die Weichheit und den Spannungsabbau zu maximieren, während das Normalisieren an ruhender Luft abkühlt, was dem gleichen Stahl ein feineres Korn, eine höhere Festigkeit und eine bessere Bearbeitbarkeit verleiht.

Warum muss Stahl unmittelbar nach dem Abschrecken angelassen werden?

Ein abgeschrecktes Teil ist hart, aber spröde und voller innerer Spannung; Wenn es nicht angelassen wird, kann es spontan reißen. Durch Anlassen werden diese Spannungen abgebaut und die Zähigkeit wiederhergestellt, während der größte Teil des Härtezuwachses erhalten bleibt.

Welche Temperaturen werden für die Tief-, Mittel- und Hochtemperierung verwendet?

Das Anlassen bei niedriger-Temperatur erfolgt bei 150-250 Grad (Werkzeuge, Lager), bei mittlerer Temperatur bei 350–500 Grad (Federn) und bei hoher Temperatur bei 500–650 Grad (Wellen, Zahnräder). Die Wahl bestimmt das Härte-Zähigkeits-Gleichgewicht.

Was ist Martensit und warum ist es hart?

Martensit ist die übersättigte, körperzentrierte tetragonale Struktur, die entsteht, wenn Austenit so schnell abgekühlt wird, dass Kohlenstoff nicht herausdiffundieren kann. Der eingeschlossene Kohlenstoff verzerrt das Gitter und erzeugt eine sehr hohe Härte und Festigkeit, aber eine geringe Duktilität.

Können Titanlegierungen wie Stahl vergütet werden?

Im Prinzip werden Alpha-Beta-Titanlegierungen durch den analogen Lösungsbehandlungs- und Alterungszyklus (STA) verstärkt, aber die Öfen, Temperaturen und Atmosphären sind völlig unterschiedlich und Titan muss im Vakuum oder in einem Inertgas erhitzt werden, um Oxidation zu vermeiden.

Was ist Anlassversprödung und wie wird sie vermieden?

Die Versprödung vom ersten-Typ tritt in der Nähe von 300 Grad auf und wird durch Überspringen dieses Bereichs vermieden. Versprödung vom zweiten-Typ tritt bei einigen legierten Stählen auf, die langsam von hohen Anlasstemperaturen abgekühlt werden; es wird durch Molybdänzusätze oder durch Öl-/Wasserkühlung nach dem Anlassen verhindert.